步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

第3章步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制3.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)3.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的環(huán)形分配器3.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)由一系列電脈沖控制，脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的電脈沖信號(hào)，通過環(huán)形分配器按一定的順序加到電動(dòng)機(jī)的各相繞組上。為了使電動(dòng)機(jī)能夠輸出足夠的功率，經(jīng)過環(huán)形分配器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)還需要進(jìn)行功率放大。環(huán)形分配器、功率放大器以及其他輔助電路統(tǒng)稱為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電源和控制器構(gòu)成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖3.1所示。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：控制特性好；誤差不長(zhǎng)期積累；步距值不受各種干擾因素的影響。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的速度取決于脈沖信號(hào)的頻率，總位移量取決于總的脈沖數(shù)，它作為伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于控制系統(tǒng)時(shí)，可以使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，工作可靠，而且可以獲得較高的控制精度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用：

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在機(jī)械、電子、紡織、輕工、化工、石油、郵電、冶金、文教和衛(wèi)生等行業(yè)，特別是在數(shù)控機(jī)床上獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。

本章從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，介紹步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、驅(qū)動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)電路、運(yùn)行特性以及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制等方面的內(nèi)容。3.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)3.1.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3.2所示，定子有六個(gè)磁極，每相對(duì)磁極構(gòu)成一相控制繞組，轉(zhuǎn)子上有均布的四個(gè)齒。2.工作原理（1）基本工作原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理，其實(shí)就是電磁鐵的工作原理，如圖3.3所示。當(dāng)U相通電，V、W相不通電，如圖3.3a所示，1、3齒與U相對(duì)齊；當(dāng)V相通電，U、W相不通電，如圖3.3b所示，2、4齒與V相對(duì)齊；當(dāng)W相通電，U、V相不通電，如圖3.3c所示，1、3齒與W相對(duì)齊；由此可見，當(dāng)通電順序?yàn)閁→V→W→U→V→…時(shí)，轉(zhuǎn)子便順時(shí)針方向一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)，通電狀態(tài)每換接一次，轉(zhuǎn)子前進(jìn)一步，一步對(duì)應(yīng)的角度稱為步距角。電流換接三次，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進(jìn)一個(gè)齒距的位置，一個(gè)齒距所對(duì)應(yīng)的角度稱為齒距角（此例中齒距角為90度）當(dāng)改變通電順序時(shí)，將改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向。（2）通電方式單相輪流通電方式每次切換前后只有一相繞組通電。在這種通電方式下，電動(dòng)機(jī)工作的穩(wěn)定性較差，容易失步。上述例子即為單向輪流通電方式，稱為三相單三拍通電（2）通電方式雙相輪流通電方式每次有兩相繞組通電，通電狀態(tài)切換時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，且輸出力矩較大，這種通電方式定位精度高而且不易失步。以三相反應(yīng)式電動(dòng)機(jī)為例，雙相輪流通電方式為：UV→VW→WU→UV→…

稱為三相雙三拍通電。（2）通電方式單雙相輪流通電方式

上述兩種通電方式的組合。即通電方式為：U→UV→V→VW→W→WU→U→…

稱為三相六拍通電，如圖3.4所示。三相六拍通電方式的步距角減小一倍。3.1.2小步距角步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)際的小步距角電動(dòng)機(jī)如圖3.5所示。它的定子內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子外圓上均有齒和槽，而且定子和轉(zhuǎn)子的齒寬和齒距相等。若定子為三相繞組，當(dāng)某一相磁極下定子與轉(zhuǎn)子的齒相對(duì)時(shí)，下一相磁極下定子與轉(zhuǎn)子齒的位置剛好錯(cuò)開1/3齒距，再下一相磁極下定子與轉(zhuǎn)子的齒錯(cuò)開2/3齒距，依此類推。當(dāng)定子各相繞組輪流通電一次，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距。3.1.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類1.按工作原理分類激磁式（電磁式）

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子均有繞組，靠電磁力矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。反應(yīng)式（磁阻式）

轉(zhuǎn)子無繞組，定子繞組勵(lì)磁后產(chǎn)生反應(yīng)力矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。永磁式

轉(zhuǎn)子和定子的某一方具有永久磁鋼，另一方由軟磁材料制成。繞組輪流通電，建立的磁場(chǎng)與永久磁鋼的恒定磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?；旌鲜剑ㄓ来鸥袘?yīng)式）反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多段環(huán)形線圈結(jié)構(gòu)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多段分布繞組結(jié)構(gòu)反應(yīng)式直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)示意圖永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)環(huán)形線圈結(jié)構(gòu)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖2.按輸出轉(zhuǎn)矩的大小分類快速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩一般為0.07～4Nm，可以控制小型精密機(jī)床的工作臺(tái)，例如線切割機(jī)床。功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩一般為5～40Nm，可直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床的移動(dòng)部件。

此外，按勵(lì)磁相數(shù)可分為三相、四相、五相、六相、等等。相數(shù)越多，步距角越小，但結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。按運(yùn)動(dòng)方式分為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)、平面運(yùn)動(dòng)等。按定子排列還可分為徑向式（單段式）和軸向式（多段式），軸向式的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，快速性和穩(wěn)定性好，功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多為軸向式，3.2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是繞組按一定方式輪流通電工作的。為了實(shí)現(xiàn)這種輪流通電，需要將控制脈沖按規(guī)定的方式分配給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)這種脈沖分配功能的是環(huán)形分配器。環(huán)形分配器的輸出信號(hào)還需進(jìn)行功率放大才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖如圖3.8所示。3.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的環(huán)形分配器3.2.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的環(huán)形分配器

環(huán)形分配器是根據(jù)指令把脈沖信號(hào)按一定的邏輯關(guān)系加到放大器上，使各相繞組按一定的順序和時(shí)間導(dǎo)通和斷開，并根據(jù)指令使電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)確定的運(yùn)行方式。環(huán)形分配器可以由硬件和軟件兩種方式實(shí)現(xiàn)。1.硬件環(huán)形分配器硬件環(huán)形分配器由門電路和雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的邏輯電路構(gòu)成。（1）集成脈沖分配器

CH250是專為三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的環(huán)形分配器。這種集成電路采用CMOS工藝，集成度高，可靠性好。它的管腳圖及三相六拍工作時(shí)的接線圖如圖3.9所示。

CH250有A、B、C三個(gè)輸出端，當(dāng)輸入端CL或EN加上時(shí)鐘脈沖后，輸出波形將符合三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的要求。若采用CL脈沖輸入端時(shí)，是上升沿觸發(fā)，同時(shí)EN為使能端，EN＝1時(shí)工作，EN＝0時(shí)禁止。反之，采用EN作時(shí)鐘端，則下降沿觸發(fā)，此時(shí)CL為使能端，CL＝0時(shí)工作，CL＝1時(shí)禁止。

R和R*分別為雙三拍運(yùn)行和六拍運(yùn)行的復(fù)位端。當(dāng)R加上正脈沖，ABC的狀態(tài)為110，而R*加上正脈沖后，ABC的狀態(tài)為100，以避免ABC出現(xiàn)000或111非法狀態(tài)。2.軟件環(huán)形分配器一般微機(jī)系統(tǒng)需要進(jìn)行如下設(shè)置：設(shè)置輸出接口設(shè)輸出口的A0接U相；A1接V相；A2接W相。設(shè)計(jì)環(huán)形分配子程序在存儲(chǔ)器中建立環(huán)形分配表。設(shè)計(jì)延時(shí)子程序

設(shè)計(jì)延時(shí)子程序來控制步進(jìn)頻率。表3.6環(huán)形分配表存儲(chǔ)元件地址

單元內(nèi)容對(duì)應(yīng)通電相K＋0K＋1K＋2K＋3K＋4K＋501H（0001）03H（0011）02H（0010）06H（0110）04H（0100）05H（0101）UUVVVWWWU3.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路3.3.1單電壓限流型驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一相的驅(qū)動(dòng)電路如圖3.12所示。這種電路的特點(diǎn)是線路簡(jiǎn)單，成本低，低頻時(shí)響應(yīng)較好；缺點(diǎn)是效率低，尤其在高頻工作的電動(dòng)機(jī)效率更低。在實(shí)際中較少使用，只有在小功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)且在簡(jiǎn)單應(yīng)用中才使用。3.3.2雙電壓驅(qū)動(dòng)電路雙電壓驅(qū)動(dòng)電路習(xí)慣上稱為高低壓切換電路，其最后一級(jí)如圖3.13a所示。這種電路的特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)繞組主電路中采用高壓和低壓兩種電壓供電，一般高壓為低壓的數(shù)倍。適用于大功率和高頻工作的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，優(yōu)點(diǎn)是功耗小，起動(dòng)力矩大，突跳頻率和工作頻率高，缺點(diǎn)是低頻振蕩加劇，波形呈凹形，輸出轉(zhuǎn)矩下降；大功率管的數(shù)量多用一倍，增加了驅(qū)動(dòng)電源。3.3.3斬波驅(qū)動(dòng)電路

斬波電路的出現(xiàn)是為了彌補(bǔ)雙電壓電路波形呈現(xiàn)凹形的缺陷，改善了輸出轉(zhuǎn)矩的下降，使勵(lì)磁繞組中的電流維持在額定值附近，其電路圖和輸出波形圖如圖3.14所示。3.3.4升頻升壓驅(qū)動(dòng)電路為了減小低頻振動(dòng)，應(yīng)使低速時(shí)繞組電流上升的前沿較平緩，這樣才能使轉(zhuǎn)子在到達(dá)新的穩(wěn)定平衡位置時(shí)不產(chǎn)生過沖，而在高速時(shí)則應(yīng)使電流有較陡的前沿，以產(chǎn)生足夠的繞組電流，才能提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的帶載能力。這就要求驅(qū)動(dòng)電源低頻時(shí)用較低的電壓供電，高頻時(shí)用較高的電壓供電。升頻升壓驅(qū)動(dòng)電路可以較好地滿足這一要求。3.3.5細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路

如果要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有更小的步距角，更高的分辨率(即脈沖當(dāng)量)，或者為減小電動(dòng)機(jī)振動(dòng)、噪聲等原因，可以在每次輸入脈沖切換時(shí)，只改變相應(yīng)繞組中額定的一部分，則電動(dòng)機(jī)的合成磁勢(shì)也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分，轉(zhuǎn)子的每步運(yùn)行也只有步距角的一部分，繞組電流分成數(shù)個(gè)臺(tái)階，則轉(zhuǎn)子就以同樣的次數(shù)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，這種將一個(gè)步距角細(xì)分成若干步的驅(qū)動(dòng)力法，稱為細(xì)分驅(qū)動(dòng)。細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)：不改變電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，能使步距角減小，但細(xì)分后的齒距角精度不高，且驅(qū)動(dòng)電源的結(jié)構(gòu)也相應(yīng)復(fù)雜。使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，提高均勻性，并能減弱或消除振蕩。目前實(shí)現(xiàn)細(xì)分階梯波供電的方法有：先放大后疊加，如圖3.16a所示。先疊加后放大，如圖3.16b所示。3.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作過程一般由控制器控制，控制器按照設(shè)計(jì)者的要求完成一定的控制過程，使驅(qū)動(dòng)電源按照要求的規(guī)律驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。簡(jiǎn)單的控制過程可以用各種邏輯電路來實(shí)現(xiàn)，但線路復(fù)雜，控制方案難以改變。目前，主要采用單片機(jī)作為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制器進(jìn)行控制，很好地克服了硬件邏輯線路控制器的缺點(diǎn)。3.4.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制串行控制具有串行控制功能的單片機(jī)系統(tǒng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源之間具有較少的連線。這種系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電源中必須含有環(huán)形分配器，其功能框圖如圖3.25所示并行控制用微機(jī)系統(tǒng)的數(shù)條端口線直接去控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相驅(qū)動(dòng)電路的方法稱為并行控制。在驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)，不包含環(huán)形分配器，其功能必須由微機(jī)系統(tǒng)完成。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)脈沖分配器的功能又有兩種方法：純軟件方法軟、硬件相結(jié)方法

并行控制方案的功能框圖如圖3.26所示。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度控制

控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度，實(shí)際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出脈沖的頻率或者換相的周期。系統(tǒng)可以用兩種方法確定脈沖的周期（頻率）：軟件延時(shí)定時(shí)器

軟件延時(shí)的方法是通過調(diào)用延時(shí)子程序的方法實(shí)現(xiàn)的，它占用CPU時(shí)間。定時(shí)器方法是通過設(shè)置定時(shí)時(shí)